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抗油污改性剂对高黏沥青及混合料的性能影响研究



摘要


将抗油污改性剂与高黏粒子按一定比例添加到SBS改性沥青中,并进行动态剪切流变(DSR)试验、多应力蠕变恢复(MSCR)试验以及沥青油蚀试验,探究抗油污改性剂对高黏沥青的高温性能以及抗油污性能的影响。在此基础上利用高黏沥青制备不同级配的OGFC沥青混合料,通过马歇尔稳定度试验和劈裂试验评价混合料的抗油污性能,并分析抗油污改性剂的影响。结果表明,抗油污改性剂能够有效改善高黏沥青的高温性能,高黏粒子对抗油污改性剂发挥这一作用有促进效果;抗油污改性剂对高黏沥青的抗油污性能有着良好的改性效果,且这种改性效果随着浸油时间的增加更加明显;未添加抗油污改性剂时,OGFC-13混合料的抗油污性能优于OGFC-20混合料,而添加改性剂后,OGFC-20混合料的抗油污性能有较大幅度的提升。



关键词:抗油污改性剂 | 改性 | 高黏沥青 | OGFC混合料


凭借排水、抗滑和降噪等优势,以开级配沥青混合料(OGFC)为代表的大空隙透水沥青路面越来越得到广泛的应用。但是,这种混合料粗集料含量较高、空隙率较大,更易受到燃料油等物质的污染。滴落到路表的燃料油会溶解、稀释沥青路面中的沥青组分并使其丧失黏附性,导致路面逐渐软化、松散,并在高温、降水和行车荷载的综合作用下发展成为坑槽等病害,影响行车。


目前针对沥青及沥青混合料的抗油污性能已经开展了较多研究。李明国等[1]利用混合料浸油与否的浸水马歇尔强度之比作为油蚀系数表征混合料抗油污性能;曹林涛等[2]通过油蚀条件下的劈裂强度试验表征混合料的抗油污性能,并研究了改性沥青和空隙率的影响;张锐等[3]对基质沥青和改性沥青混合料进行浸泡燃油前后的混合料质量损失、车辙试验以及劈裂试验,发现改性沥青的抗油污性能优于基质沥青,低标号沥青的抗油污性能优于高标号沥青;Giuliani[4]通过比较不同聚合物改性沥青在油品中的溶解性来评价聚合物对沥青抗油污性能的改善效果;李善强等[5]考虑了沥青在油品中溶解达到动态平衡时的半固态半液态部分,提出油蚀度的概念来定量表征油品对沥青的侵蚀效应。但是这些研究中使用的沥青混合料类型多为ACSMA混合料,针对OGFC混合料的抗油污性能的研究却并不多见。此外,基于良好的高温稳定性和水稳定性的要求,OGFC混合料一般使用高黏沥青,但目前缺少抗油污改性剂对于高黏沥青及OGFC混合料性能影响的相关研究。


本文首先针对添加了抗油污改性剂与高黏粒子的SBS改性沥青进行动态剪切流变(DSR)试验、多应力蠕变恢复(MSCR)试验和沥青油蚀试验,以评价抗油污改性剂对高黏沥青高温性能和抗油污性能的影响,并进行不同级配的OGFC混合料性能试验,探究抗油污改性剂对混合料抗油污性能的改善效果。



材料与试验

试验材料与混合料配合比设计

本次试验选用SBS改性沥青。抗油污改性剂选用由PRINDUSTRIE公司自主研发的PRAK抗油污破损添加剂,高黏粒子选用由脱硫轮胎橡胶粉和聚烯烃塑料粒子等制备的橡塑复合改性剂。抗油污改性剂与高黏粒子的添加量分别为SBS改性沥青质量的5%8%,在180℃条件下以3600r/min的速率剪切60min得到不同种类的沥青。沥青的技术性能指标如表1所示。集料采用玄武岩粗集料以及石灰岩细集料和矿粉。混合料级配选用OGFC-13OGFC-20,其矿料级配如表2所示。两种级配的*佳油石比分别为4.8%4.6%,空隙率分别为21.9%23.8%



试验方案

本研究利用DSR试验测试沥青的复变剪切模量(G*)和相位角(δ),试验依据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(以下简称《规范》)中的T0628-2011进行。由于在3.2kPa条件下改性沥青处于非线性黏弹性区域[6],故本研究利用MSCR试验测试在3.2kPa应力条件下的平均应变恢复率R3.2和不可恢复蠕变柔量Jnr3.2R3.2是表征沥青的变形恢复能力的指标,其值越大表明其弹性恢复能力越强;Jnr3.2是表征沥青抵抗永久变形能力的指标,其值越小表明其残余不可恢复变形越小。这两个指标同样能够表征沥青的高温抗车辙性能。MSCR试验步骤参照ASTMD7405-10a进行。沥青油蚀试验根据文献[5]改进而来,主要包括以下步骤:

(1)180℃液态热沥青倒入不锈钢模具中,在25℃条件下冷却2h后脱模成型。模具尺寸为50mmX50mmX20mm,内部直径25mm,旨在保证每一个沥青样品具有相同的质量(10g±0.2g)以及浸油时与油品接触表面积相同,如图1所示;

(2)称量成型的固态沥青块质量后将其放入盛有100mL0#柴油的量杯中,在25℃条件下封闭放置一定时间;

(3)取出杯中固体,用纸巾轻轻拭去固态沥青样品表面的液态沥青与柴油的混合物,称量剩余固体的质量。根据式(1)计算每种沥青在一定浸油时间下的油蚀质量损失:




将由高黏沥青制备的OGFC-13OGFC-20马歇尔试件各自分为两组,其中一组混合料添加抗油污改性剂。每组试件分为浸油组和非浸油组,将浸油组试件浸泡24h并待柴油挥发后与未浸油组一起进行马歇尔稳定度试验和劈裂试验。试验步骤分别参照《规范》中T0709-2011T0716-2011进行。根据试验结果按照式(2)(3)计算浸油组试件的性能相对于未浸油组试件的损失-浸油残留稳定度MSO和浸油劈裂强度比ROT,以此作为该混合料抗油污性能的评价指标。






抗油污改性剂对高黏沥青性能的影响

高温性能

由于本试验中采用的沥青全部为改性沥青,故动态剪切扫描温度选择7076℃和82℃。采集到三个温度下四种沥青的G*、δ以及计算得到的车辙因子(C*/sinδ)如表3所示。G*/sinδ随温度的变化趋势如图2所示。MSCR试验的温度设定为70℃,试验结果如表4所示。






根据试验结果可知,尽管沥青DG*/sinδ随着温度的提高下降更快,但由于其在不同的温度下都有着*高的G*和*低的δ,使得沥青DG*/sinδ远远高于同种温度下的其他三种沥青。沥青D82℃下的G*/sinδ甚至比其他三种沥青在70℃下的G*/sinδ还要高。这表明抗油污改性剂能够有效改善高黏沥青的高温性能,并且在抗油污剂与高黏粒子的综合作用下,沥青更趋近于弹性体,并具有更好的高温抗车辙性能。

同时,对比沥青B、沥青C和沥青DR3.2Jnr3.2可知,由于高黏粒子的添加,原SBS改性沥青在橡塑复合作用下其内部结构结网率增加,具有更好的弹性性能和高温抗变形能力,而这种结构和性能有利于抗油污改性剂进一步发挥其改善沥青高温抗车辙性能的作用。


抗油蚀性能

将四种沥青浸油0.5、2、4、8、24h后,计算每种沥青在不同浸油时间下的油蚀质量损失,结果如表5、图3所示。






由图3中结果可知,由于改性沥青中改性剂与沥青发生反应形成交联结构,柴油破坏这层结构需要一定的时间,因此在开始的30min内四种沥青的油蚀质量损失Asm没有明显区别。但是,随着油蚀程度不断深入,不同沥青抗油污性能的差异开始显现。未添加改性剂的沥青A的油蚀质量损失随浸油时间增长更快,抗油污性能明显不如其他三种沥青。沥青C由于抗油污改性剂与沥青发生了复杂的反应,生成的物质能够有效制约沥青质和胶质的损失,因而有着较好的抗油污性能[7]

对于添加了高黏粒子与抗油污改性剂的沥青D来说,尽管在浸油时间前4h内并未显示出更优的抗油污性能。但是随着浸油时间的增加,其油蚀质量损失增长明显慢于其他三种沥青;尤其是在浸油8~24h时间段,沥青D的油蚀质量损失仅增长9.51%。这表明高黏沥青的多网状结构有利于抗油污改性剂更好地发挥作用,且这种改性效果的凸显需要一定的时间。



抗油污改性剂对高黏沥青混合料性能的影响


将由高黏沥青制备的不同级配、不同处理方式(是否浸油及添加抗油污改性剂)的试件进行马歇尔稳定度试验和劈裂试验,试验结果如表67所示。制备混合料时采用干法添加抗油污改性剂,其掺量为混合料质量的0.5%

依据试验结果可知,无论是根据浸油残留稳定度还是浸油劈裂强度比,四种混合料的抗油污性能排序为:OGFC-20+抗油污改性剂>OGFC-13+抗油污改性剂>OGFC-13>OGFC-20o对于未加抗油污改性剂的混合料,OGFC-20混合料由于空隙率较大、沥青含量相对较少,而OGFC-13混合料由于细集料含量高、沥青裹附程度更加充分,使得前者中的沥青组分相较后者更易遭受油品侵蚀。沥青丧失黏附性后,OGFC-20混合料仅凭借粗集料之间的嵌锁作用形成的骨架结构难以承受更高的荷载,表现为具有更低的浸油残留稳定度和浸油劈裂强度比。




但是,添加抗油污改性剂后,沥青在油品侵蚀的条件下仍具有裹附集料的能力。此时OGFC-20混合料的优势开始显现,由于含量更高的粗集料之间的嵌锁作用与沥青胶结作用,使得它具有更好的抗油污性能。此外,对于同一级配下的非浸油组混合料而言,添加抗油污改性剂的混合料有着更高的马歇尔稳定度和劈裂强度,这表明抗油污改性剂可以提高混合料抵抗荷载及变形的能力。



结论


(1)抗油污改性剂能够有效提高高黏沥青的高温抗车辙性能,并且相比于原SBS改性沥青,高黏粒子有利于抗油污改性剂更好地发挥这一作用;

(2)抗油污改性剂能够提高高黏沥青的抗油污性能,并且这种优势随着浸油时间的增长更为明显;

(3)对于由高黏沥青制备的OGFC混合料,当未添加抗油污改性剂时,OGFC-13的抗油污性能更优;而添加抗油污改性剂后,OGFC-20混合料由于粗集料的嵌锁作用和高黏沥青的胶结作用,在油蚀条件下有着更佳的抵抗荷载和变形的能力。





全文完 发布于《石油沥青》20216月 如涉侵权,请联系删除




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